采動地表裂縫發(fā)育范圍異常擴大成因分析

張 峰

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000)

采動地表裂縫發(fā)育范圍異常擴大成因分析

張 峰

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063000)

蔚州礦區(qū)單侯煤礦的二采區(qū)6208工作面在村莊保護煤柱外進行常規(guī)開采過程中，工作面靠近村莊一側的地面裂縫發(fā)育范圍出現了異常的擴大，并引起了地表裂縫擴大區(qū)的村莊建筑物出現了嚴重的損壞。通過對地表裂縫發(fā)育的位置、延展特征進行的詳細分析，結合研究區(qū)域地表裂縫規(guī)律、開采條件及地層狀況等，確定了6208工作面靠近村莊側的綜合裂縫角，采用類比、排除等方法對地面裂縫發(fā)育及村莊損害范圍擴大的成因進行了深入研究，得出結論：在單侯煤礦6208工作面東北側為逆斷層上盤的斷裂帶發(fā)育區(qū)，斷層帶區(qū)域巖層破碎，致使巖層整體硬度降低、結構松散，進而改變了原有的采動影響傳播規(guī)律，造成了地表裂縫發(fā)育及村莊建筑物損壞范圍擴大。

地表裂縫 斷裂構造 開采沉陷 開采損害 裂縫角

1 采動地表裂縫產生及分布

煤炭在地下開采過程中上覆巖層隨之產生移動，埋藏在地下的煤炭被采出后，在煤體內部形成一個空洞，其周圍原有的應力狀態(tài)受到破壞，引起應力的重新分布直至達到新的平衡，這是一個復雜的物理、力學變化過程，也是巖層產生移動和破壞的過程。隨著巖層的移動發(fā)展到地表，使地表產生移動和變形，形成一個范圍比采空區(qū)大得多的地表移動盆地，在移動盆地的外邊緣區(qū)，地表可能產生裂縫，地表裂縫產生的位置及大小與第四系厚度、性質以及變形值大小等因素密切相關。根據相關資料，若第四系松散層為塑性大的黏土層，一般地表拉伸變形值超過6～10 mm/m時，地表才產生裂縫。塑性小的砂質黏土、黏土質砂等地表拉伸變形值達到2～3 mm/m時，地表即可產生裂縫[1]。

地下煤層開采形成的地表移動盆地，從外至里一般劃分為3個邊界：①移動盆地最外邊界；②移動盆地危險移動邊界；③移動盆地裂縫邊界。移動盆地的裂縫邊界一般采用裂縫角確定，裂縫角的大小與煤炭開采深度、巖層巖性、松散層性質等相關，多年的開采觀測經驗表明，在同一地質采礦條件下，不同工作面開采形成的裂縫位置和范圍具有一定的規(guī)律性，往往具有大致相同的裂縫角。

但在單侯煤礦的6208工作面開采過程中，出現了其村莊保護煤柱一側地表裂縫范圍異常增大的狀況，導致村民建筑產生了嚴重損壞，特對此情況探討其成因。

2 采礦及地質條件

單侯煤礦位于河北張家口市蔚縣境內，煤系地層上方普遍被濕陷性黃土地層覆蓋，主要開采煤層為侏羅系中下統(tǒng)花園組的5、6號煤層，研究區(qū)域只開采了6號煤層，平均開采厚度約3.2 m，在礦井開采過程中，均按照相關規(guī)程要求對地面的村莊留設了保安煤柱，且多年在村莊保安煤柱外開采均未對村莊產生過損害影響，但6208工作面在村莊煤柱外開采過程中，村莊地面出現了多條裂縫，部分房屋產生了損壞。

研究區(qū)域開采工作面為6208工作面，地表平均標高為+1 100～1 070 m，表土層為濕陷性黃土層，下部為黏土、亞黏土及砂礫石層組成，第四系總厚度約110 m，基巖以黏土巖和粉砂巖為主，厚度約250 m，為中硬巖層，6208工作面走向長646 m，傾斜寬約150 m，煤層厚度2.9～3.4 m，平均3.18 m，煤層傾角2°～17°，平均為6°，煤層底板標高+640～+750 m，平均開采深度為380 m。

3 地表裂縫分布規(guī)律

3.1 6208工作面地表裂縫分布

6208工作面在村莊保護煤柱以外開采，開采過程中工作面在村莊側的地面發(fā)育了4條較為明顯的規(guī)律裂縫：第1條裂縫位于工作面外側50 m處；第2條裂縫距村莊西側邊界10 m處，裂縫寬150～200 mm，落差約50 mm，該裂縫距工作面約121 m；第3條裂縫距村莊西側邊界30 m處，裂縫寬約50 mm，落差30 mm，該裂縫距工作面約160 m；第4條裂縫距村莊西側邊界約80 m處，裂縫寬約50 mm，該裂縫距工作面232 m。

地表裂縫位置與單侯礦6208工作面位置關系，詳見圖1所示。

根據實測地表最外裂縫與工作面位置關系分析得出，該工作面開采后綜合裂縫角約為59°。

3.2 相鄰工作面地表裂縫分布規(guī)律

與6208工作面相距750 m遠的6102工作面，其開采寬度同為150 m，且其開采標高為+675～+723 m，地面標高平均+1 070 m，開采深度347～395 m，平均采深370 m，其地質采礦條件與6208工作面基本相同。

根據實測資料，在該工作面開采過程中地表也產生了一系列裂縫，現已發(fā)現的最遠裂縫距離6102工作面約131 m，裂縫位置如圖2所示。

圖1 6208工作面與地面裂縫位置關系

圖2 6102工作面與地面裂縫位置關系

根據實測地表最外裂縫與工作面位置關系分析得出，該工作面開采后綜合裂縫角約為71°。

3.3 對比分析

從該區(qū)域煤層上覆巖層可以看出，覆巖主要由粗砂巖、中砂巖、細砂巖、粉砂巖和黏土巖等組成，且大部分砂巖為凝灰質膠結，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》，在其覆巖性質為中硬的條件下，其綜合裂縫角也在70°以上[2]。

參考相鄰的崔家寨礦設立的E11612地表移動觀測站實測資料，其綜合移動角為68°，根據相關規(guī)程和地表移動觀測經驗，裂縫角一般較移動角增加5°～10°[2]，實測裂縫角在73°以上。

與之相鄰的6102工作面實測綜合裂縫角為71°。

綜合分析，該地區(qū)的綜合裂縫角應在70°以上，6208工作面綜合裂縫角僅為59°，明顯小于同一條件下的綜合裂縫角，地表裂縫范圍擴展較遠，不符合常規(guī)開采地表移動規(guī)律。

4 裂縫范圍異常擴大成因分析

地下采礦形成的地表裂縫一般出現在地表移動盆地的外邊緣區(qū)，地表裂縫產生的位置及大小與第四系厚度、性質以及變形值大小等因素密切相關，造成地表裂縫異常擴展的原因多為地質構造影響。

從該區(qū)域6208工作面實際揭露和三維地震、電法勘探情況分析，該區(qū)域地質構造條件相對復雜，大小斷層密布，其中最大的斷層為DF50號斷層，位于6208工作面東北部，村莊的西部，根據6208工作面切眼揭露情況，DF50逆斷層落差35 m，傾角28°，另外在村莊西部區(qū)域還有大小斷層10余條，斷層走向、傾向多樣，斷層傾角45°～75°，落差多在15 m以下，詳見圖3所示。

圖3 6208工作面與斷裂構造相對位置及剖面關系

斷裂構造對開采沉陷的影響主要是由于斷層破碎帶處巖層的力學強度大大降低，使得斷層露頭處成為巖層變形集中的有利部位，在上覆巖層發(fā)生移動變形的同時，巖層沿破碎的斷層面發(fā)生滑動，使地表在斷層露頭處產生臺階狀破壞或裂縫，裂縫的展布通常與斷層的走向具有密切相關性。如梨園礦務局郭莊煤礦2228 工作面受F16斷層影響，在斷層露頭區(qū)超過正常裂縫范圍之外，產生了地表裂縫，地表裂縫的延展方向與斷層走向一致，地表裂縫之上的建筑物、構筑物受損程度較嚴重[3]。

經調查，5208工作面開采中無冒頂、超采、突水等現象，地表裂縫范圍擴大不是開采影響造成的，實測工作面東部區(qū)域地表裂縫的走向及分布與6208工作面開采形成的移動盆地基本一致，與下部斷裂構造的展布方向無相關性，可以判斷，亦非下部斷層面滑動影響。

從6208工作面東北部斷層分布情況分析，6208工作面處于DF50號逆斷層的斷裂帶區(qū)域，該斷層落差大、傾角小，為該區(qū)域控制性斷裂構造，受逆斷層的擠壓作用影響，該區(qū)域上覆巖層大小斷裂構造十分發(fā)育，致使原本完整的巖層變得十分破碎，改變了局部的采動影響傳播規(guī)律，導致斷層破碎帶區(qū)域巖層移動范圍擴大，地面裂縫異常擴展。

5 結 論

采動地表裂縫產生的位置受煤層開采深度、巖層巖性、松散層性質等因素影響，受斷層影響的采動地表裂縫，一般產生在斷層的露頭區(qū)域，從6208工作面東部區(qū)域地表裂縫范圍異常擴大的實例分析可以得出，逆斷層上盤受斷層兩盤擠壓作用影響，使得斷層上盤小斷裂十分發(fā)育，原本完整巖層變得破碎，巖層的破碎改變了原有的采動影響傳播規(guī)律，巖層整體硬度降低、結構松散，采動影響傳播范圍相比原巖層增大，依據本例分析，綜合裂縫角相比正常巖層減小約10°左右。

通過對單侯煤礦采動地表裂縫范圍異常擴大的分析，希望在煤炭開采過程中，加強工作面周邊有斷層存在的開采影響論證，依據斷層性質、發(fā)育情況以及斷層附近巖層的破碎程度等進行綜合分析，合理確定保安煤柱和開采影響范圍，避免出現采動影響范圍異常擴大，造成重大損失。

[1] 何國清，楊 倫，凌賡娣，等.礦山開采沉陷學[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,2003. He Guoqing，Yang Lun，Ling Gengdi,et al.Mining Subsidence[M].Xuzhou:China University of Mining and Technology press,2003.

[2] 中華人民共和國煤炭工業(yè)部.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1986. Ministry of Coal Industry of People′s Republic of China.Buildings，Water，Railway and Coal Pillar Design and Coal Mining Regulations[M].Beijing:China Coal Industry Publishing House,1986.

[3] 周全杰，常興民.受斷層影響地表裂縫的成因及特征分析[J].焦作工學院學報,1999，18(4)：248-250. Zhou Quanjie，Chang Xingmin.Analysis of the ground fissure′s feature and it′s causes of formation influenced by the fault[J].Journal of Jiaozuo Institute of Technology，1999,18(4):248-250.

(責任編輯 徐志宏)

Expansion Cause Analysis of the Abnormal Scope of Surface Crack Induced by the Mining Influence

Zhang Feng

(TangshanResearchInstitute，ChinaCoalScienceandIndustryGroup，Tangshan063000，China)

During the normal mining activity at the 6208 working face outside of protective coal pillar in village in No.2 Mining Area of Danhou coal mine in Yuzhou mine，the development scope of ground fissure on one side of the face near the village appeared abnormal expansion，and the village buildings at surface crack expanding area appeared serious damage.Through analyzing in detail the location and the characteristics of the surface crack growth，and combining with ground fissure rules，mining conditions and ground formation condition，the comprehensive crack angle of 6208 working face near the village was determined.The ground fracture development and the causes for the scope expanding of the village damage were studied by the methods of analogy and elimination.It is concluded that the northeastern 6208 working face in Danhou Coal Mine is the fault development zone of the upper reversed fault.Rock fractures in fault zone result in the hardness of rock reduced and the structure loosened.So，the original propagation law by mining influence is changed，leading to the expansion of the surface crack development and the village building damage.

Surface cracks，Fracture structure，Mining subsidence，Mining damage，Crack angle

2015-01-21

張 峰(1978—)，男，副研究員，碩士。

TD325

A

1001-1250(2015)-04-154-03